基于PEV的雙向DC／DC變換器的研究

摘要：介紹了一種純電動汽車超級電容器充放電系統(tǒng)的大功率雙向DC/DC變換器。首先給出了純電動汽車電傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，然后介紹了雙向DC/DC變換器的拓?fù)?，并針對超級電容器充放電系統(tǒng)設(shè)計雙向DC/DC變換器的控制器。

關(guān)鍵詞：純電動汽車;超級電容;雙向DC/DC變換器;控制

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺問題口益突顯，新能源汽車的研究越來越受到重視。超級電容作為純電動汽車的輔助動力源，以其較高的功率密度在純電動汽車領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。如果超級電容直接連接在逆變器的輸入端，不能滿足恒壓放電和恒流充電的需求，因此必須在其間串入雙向DC/DC變換器。單向DC/DC變換器已經(jīng)有了成熟的控制技術(shù)，但在雙向DC/DC變換器中不同功率流向的控制模型不盡相同。因此，研究雙向DC/DC變換器的控制模型，提出有效的控制方案是研究的重點(diǎn)。本文以純電動汽車用大功率雙向DC/DC變換器為對象，研究雙向DC/DC變換器及其控制系統(tǒng)。

1 純電動汽車電力傳動系統(tǒng)

純電動汽車電力傳動系統(tǒng)原理如圖1所示，該P(yáng)EV的電力傳動系統(tǒng)是由鋰離子蓄電池和超級電容提供能量。鋰離子電池作為主要能源保證該車的正常行駛，超級電容作為輔助能源在該車加速、爬坡時為電機(jī)提供能量，并在減速、下坡時通過回饋制動為超級電容充電。根據(jù)以上特點(diǎn)，需要在超級電容與逆變器之間串聯(lián)大功率雙向DC/DC變換器才能滿足超級電容的恒壓放電和恒流充電。

2 雙向大功率DC/DC變換器

雙向DC/DC變換器按是否含變壓器分為隔離型和非隔離型。隔離型模塊的可靠性高，但成本高、效率差。在大功率輸入輸出的情況下，非隔離型雙向DC/DC模塊以其簡單的結(jié)構(gòu)和較高的功率傳輸效率成為理想的選擇。雙向DC/DC變換器模型如圖2所示。

超級電容在放電時，雙向大功率DC/DC變換器工作在boost模式下。此時，IGBT1始終保持在關(guān)斷狀態(tài)，其反并聯(lián)的二極管作續(xù)流二極管用，僅控制IGBT2的開斷以保持恒壓放電。超級電容充電時，雙向大功率DC/DC變換器則工作在buck模式下。此時，IGBT2始終保持在關(guān)斷狀態(tài)，其反并聯(lián)的二極管作續(xù)流二極管用，僅控制IGBT1的開斷以保持恒流充電。

下面主要分析雙向大功率DC/DC變換器在boost和buck模式下的電氣參數(shù)、控制參數(shù)和輸出特性的關(guān)系。

3 雙向DC/DC變換器控制

對于該電路，在boost模式情況下，電感L的大小通常根據(jù)電路的紋波要求來設(shè)計。電路工作在連續(xù)模式下，可知

。由于超級電容的輸出電壓會隨著功率的輸出而降低，因此通常我們考慮輸出電壓在一個范圍內(nèi)變化。

本文中超級電容輸出電壓的變化范圍是150V≤Ui≤250 V，Uo穩(wěn)定在500 V。由此，可計算占空比的取值范圍

上式可以看成是僅含變量D的一個函數(shù)。對函數(shù)L(D)求導(dǎo)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)D=1/3時，L取得最大值。保證電路工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下，△iL≤ 2IL。考慮到電感會飽和，除此之外，IGBT的峰值電流和電壓損耗問題也需要減小。在實際中我們通常取△iL≤0.25IL。在本文中，取△iL ≤0.25IL。fs為開關(guān)管的工作頻率，當(dāng)頻率高的時候，輸出諧波含量少，有利于濾波。但是，開關(guān)損耗增加。當(dāng)開關(guān)頻率低時，波形質(zhì)量會很差。因此，應(yīng)綜合選取開關(guān)管頻率。本文選取開關(guān)頻率為20 kHz。

根據(jù)以上計算，電感取值為1 mH，電容取值為470μF。當(dāng)變換器工作在boost模式下，需要得到恒定的輸出電壓，此時選用電壓反饋控制方式。如圖3所示，將輸出電壓采集后與參考電壓比較，通過PI調(diào)節(jié)器后，與三角波比較生成PWM波控制IGBT的開斷。

此模式下，boost電路的輸入端為超級電容，初始電壓為250 V。放電過程中，電壓呈指數(shù)下降，放電時間為20 s，電壓最后為150 V。在此過程中，保證變換器輸出端電壓始終為500 V，如圖4所示。

當(dāng)變換器工作在buck模式下，需要得到恒定的電流為超級電容充電，此時選用電流反饋控制方式。如圖5所示，采集輸出電流與給定電流比較，通過PI調(diào)節(jié)器后，再與三角波比較，生成PWM波控制IGBT的開斷。

此模式下，buck電路是輸入為逆變器的直流側(cè)，初始電壓為500 V。充電時間10 s。電壓下降，輸出充電電流恒為200 A。圖6中為buck模式下輸入電壓、輸出電流圖。

4 結(jié)束語

本文分析了大功率雙向DC/DC變換器在純電動汽車中與超級電容器的配合應(yīng)用，在不同的功率流向時，需要考慮不同的控制方式。通過仿真分析，在不同的時間對在同一電路中的兩個開關(guān)管分別控制，能達(dá)到超級電容恒壓放電和恒流充電的工程要求，證明該系統(tǒng)穩(wěn)定可行。